무기 화합물의 네 부류
산화물은 어떤 원소가 산소와 만든 화합물이에요(CaO, CO₂ 등). 금속 산화물은 대체로 염기성이고, 비금속 산화물은 대체로 산성입니다. Al₂O₃와 ZnO처럼 산과 염기 둘 다와 반응하는 양쪽성 산화물도 있어요.
산은 물에서 H⁺ 이온을 내놓습니다(HCl, H₂SO₄, HNO₃). 염기는 OH⁻ 이온을 내놓거나 H⁺를 받아요(NaOH, Ca(OH)₂, NH₃). 물에 녹는 염기는 알칼리라고 합니다. 염은 금속(또는 NH₄⁺) 이온과 산에서 남은 이온으로 이루어져요(NaCl, CuSO₄, NH₄NO₃).
알아 둘 산-염기 정의
- 아레니우스: 산은 물에서 H⁺를, 염기는 OH⁻를 낸다.
- 브뢴스테드–로리: 산은 양성자를 주고, 염기는 양성자를 받는다. NH₃는 H⁺를 받기 때문에 염기다.
- 루이스: 산은 전자쌍을 받고, 염기는 전자쌍을 준다.
산, 염기, 염의 이름 짓기
- 이원자 산: 염화수소산(HCl), 브로민화수소산(HBr)처럼 "~화수소산"이라고 부릅니다.
- 산소산: 산소가 더 많으면 "~산", 더 적으면 "아~산": H₂SO₄ 황산, H₂SO₃ 아황산; HNO₃ 질산, HNO₂ 아질산.
- 염기: 금속 + 수산화물: NaOH 수산화 나트륨, Fe(OH)₃ 수산화 철(III) (전하를 로마 숫자로 표시).
- 염: 산의 이름에서 바뀝니다. "~산" → "~산염", "아~산" → "아~산염", "~화수소산" → "~화물". 그래서 H₂SO₄는 황산염, H₂SO₃는 아황산염, HCl은 염화물이 됩니다.
- 산성염은 H가 남아 있어요: NaHCO₃ 탄산수소 나트륨. 염기성염은 OH가 남아 있어요: Mg(OH)Cl.
부류 사이의 관계
한 원소를 따라가면 여러 부류를 거치며 가계도처럼 이어져요.
금속: Ca → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ (2Ca + O₂ → 2CaO; CaO + H₂O → Ca(OH)₂; Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O)
비금속: S → SO₂ → H₂SO₃ → Na₂SO₃
두 줄은 염에서 만납니다. 염은 여러 방법으로 만들어져요. 산 + 염기, 산 + 금속, 산 + 염기성 산화물, 염기 + 산성 산화물, 산 + 탄산염이 있습니다.
적정 소개
적정은 농도를 모르는 용액을 농도를 아는 용액(표준 용액 또는 적정액)과 반응시켜 농도를 알아내는 방법이에요.
- 모르는 산의 정확한 부피(예: 25.0 mL)를 피펫으로 삼각 플라스크에 넣고 지시약을 2~3방울 떨어뜨립니다.
- 뷰렛에 표준 염기를 채웁니다. 눈높이에서 메니스커스 아랫부분의 눈금을 읽어 처음 부피를 기록해요.
- 플라스크를 흔들며 염기를 넣습니다. 끝이 가까워지면 한 방울씩 넣어요.
- 색이 처음으로 사라지지 않고 바뀌는 순간, 즉 종말점에서 멈추고 마지막 눈금을 기록합니다. 두 결과의 차이가 0.10 mL 이내로 맞을 때까지(일치값) 반복해요.
당량점 = 화학 반응식에 따라 산과 염기의 몰수가 정확히 맞는 지점. 종말점 = 지시약의 색이 바뀌는 지점. 좋은 지시약은 두 지점을 거의 같게 만들어 줍니다.
적정 곡선과 지시약 고르기
넣은 염기의 부피에 따른 pH를 그래프로 그리면 S자 모양의 적정 곡선이 나와요.
- 강산 + 강염기(HCl + NaOH): pH가 1 근처에서 시작해 약 3에서 11로 가파르게 뛰고, 당량점은 pH 7입니다. 페놀프탈레인이나 메틸 오렌지 모두 쓸 수 있어요.
- 약산 + 강염기(CH₃COOH + NaOH): pH 3 근처에서 시작하고, 평평한 완충 구간이 있으며, 당량점은 7보다 높아요(약 8.7). 페놀프탈레인(변색 범위 8.2~10)을 씁니다. 반당량점에서는 pH = pKa 입니다.
- 강산 + 약염기(HCl + NH₃): 당량점이 7보다 낮아요(약 5). 메틸 오렌지(변색 범위 3.1~4.4)를 씁니다.
- 약산 + 약염기: 급격한 변화가 없어서 잘 맞는 지시약이 없으니 pH 측정기를 씁니다.
규칙: 변색 범위가 곡선의 가파른 구간 안에 들어가는 지시약을 고르세요.
적정 계산
몰수 = 농도(mol/L) × 부피(L). 균형 잡힌 반응식의 비율을 사용하세요.
HCl + NaOH (1 : 1)에서는 CaVa = CbVb 입니다.
H₂SO₄ + 2NaOH에서는 NaOH의 몰수 = H₂SO₄ 몰수의 2배이므로 2CaVa = CbVb 입니다.
당량점 전(강산): [H⁺] = (남은 산의 몰수) ÷ (전체 부피). 당량점 후: [OH⁻] = (남은 염기의 몰수) ÷ (전체 부피)로 구한 뒤, pH = 14 − pOH (25 °C).
핵심 공식과 정의
- n = C × V (V는 리터)
- 1 : 1 반응: C₁V₁ = C₂V₂
- a·CₐVₐ = b·C_bV_b (a, b = 각각이 내는 H⁺ / OH⁻의 개수)
- pH = −log[H⁺]; pH + pOH = 14 (25 °C)
- 약산의 반당량점: pH = pKa
풀이 예제
1. 이름을 쓰세요: (a) HNO₂ (b) K₂SO₄ (c) Fe(OH)₂ (d) NaHCO₃.
(a) 아질산 (산소가 더 적음 → "아~산"). (b) 황산 칼륨 (황산 → 황산염). (c) 수산화 철(II). (d) 탄산수소 나트륨, 산성염.
2. 마그네슘에서 시작해 염화 마그네슘으로 끝나는 변화 과정을 쓰세요.
2Mg + O₂ → 2MgO; MgO + H₂O → Mg(OH)₂; Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O.
3. HCl 25.0 mL를 중화하는 데 0.100 M NaOH 20.0 mL가 필요하다. [HCl]을 구하세요.
n(NaOH) = 0.100 × 0.0200 = 0.00200 mol = n(HCl). C = 0.00200 ÷ 0.0250 = 0.0800 M.
4. H₂SO₄ 20.0 mL를 0.250 M NaOH 32.0 mL가 중화한다. [H₂SO₄]를 구하세요.
n(NaOH) = 0.250 × 0.0320 = 0.00800 mol. H₂SO₄ : NaOH = 1 : 2 이므로 n(H₂SO₄) = 0.00400 mol. C = 0.00400 ÷ 0.0200 = 0.200 M.
5. 0.100 M HCl 25.0 mL에 0.100 M NaOH 20.0 mL를 넣은 뒤의 pH를 구하세요.
산 0.00250 mol, 염기 0.00200 mol. 남은 H⁺ = 0.000500 mol, 부피 45.0 mL. [H⁺] = 0.000500 ÷ 0.0450 = 0.0111 M. pH = 1.95.
6. 같은 플라스크에 NaOH 30.0 mL를 넣은 뒤의 pH를 구하세요.
염기 0.00300 mol, 남는 OH⁻ = 0.000500 mol, 부피 55.0 mL. [OH⁻] = 0.00909 M, pOH = 2.04, pH = 11.96. 겨우 10 mL 사이에 pH가 약 2에서 12로 뛰었어요 – 곡선의 가파른 구간입니다.
자주 하는 실수
- 몰수를 구하기 전에 mL를 L로 바꾸는 것을 잊는다.
- H₂SO₄ + NaOH에 C₁V₁ = C₂V₂를 쓴다. 1 : 2 비율을 반드시 써야 한다.
- 당량점이 항상 pH 7이라고 생각한다. 7이 되는 것은 강산 + 강염기뿐이다.
- 뷰렛 눈금을 메니스커스 선보다 위나 아래에서 읽거나(시차 오차), 먼저 뷰렛을 적정액으로 헹구지 않는다.